一种测量人体上肢操作工效的活动域细分方法与流程

1.本发明属于人的操作工效研究领域，特别涉及一种测量人体上肢操作工效的活动域细分方法。


背景技术：

2.操控装置的操作安全性、效率性和舒适性很大程度取决于操控装置的位置和布局，当操控装置的位置和布局不合适时，不仅会造成操作失误增加、效率低下，还会令操作者产生疲劳，甚至累积引发关节疾病。
3.为了在人机界面设计过程中，确定手动操控装置的合理位置和布局，或者在已有人机界面的工效评价中，评估手动操控装置的位置和布局合理性，都需要掌握人体上肢在活动域内的操作工效。在测量人体上肢操作工效的实验中，操控装置位置对测量结果有直接影响。从人体上肢执行操作的角度看，即上肢尤其是手部位置在上肢活动域中的具体位置，对操控工效有着直接影响。
4.目前，国内外对手动作业中人体上肢活动域的划分，主要是基于操作台水平面和人体矢状面进行划分。例如，根据人体尺寸计算，获得操作台水平面上的上肢活动范围(见图1)，或者在人体矢状面内和水平面内，与视觉可达域相结合，基于角度对上肢活动范围进行划分(见图2)。这些方法利用粗略的区域划分，完成对手动操控装置的工效布局设计和评价，但是当操控装置数量上升时，这种粗略的区域划分方法会导致精准度不足，对操控装置布局设计和评估的支持力下降。
5.例如，研究飞机驾驶舱中显控装置的布局设计时，由于需要安排的仪表开关、显示屏和控制器件数量庞大，粗略的区域划分往往会令重要程度或使用频次程度相差不多的装置丢失在布局工效上的设计差异。如果不能有效的细分上肢活动域，将对驾驶舱装置的布局工效水平和飞行员操作产生较大影响。


技术实现要素：

6.本发明主要针对现有的上肢活动域划分方法在测量操作工效时精准度不足的缺陷，而该缺陷会导致大数量操控装置在人机界面布局设计和评估时，无法获取精准的操作工效值，这部分精准度的缺失会极大影响上肢操作工效分析的可靠性。本发明主要针对人体上肢活动域，通过细分方法实现对活动域的近似等量划分。特别地，本发明引入人体上肢结构和人体尺寸数据，基于上肢最大可达域，在各层级水平面内对上肢活动区域进行细分，将平面区域细分边界在垂直方向上拉伸，完成对上肢活动域的细分，以避免活动区划分粗略引发的精准度问题，最终获得定位精准的操作工效实验结果。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种测量人体上肢操作工效的活动域细分方法，其特征在于，包括步骤：
8.步骤1：获取人体尺寸数据，包括手臂功能长h和手长a；
9.步骤2：基于获取的人体尺寸数据，对垂直轴上的上肢活动域进行划分，具体过程
如下：
10.步骤2
‑
1：计算上肢在垂直轴上的活动域范围s＝h1
‑
h2＝2h，h1为手臂垂直上举的功能高度，h2为手臂自然下垂的功能高度；
11.步骤2
‑
2：以手长a的倍数d为步长，计算得到活动域范围s所需划分的层格数n和层数m，n＝[2h/d*a+0.5]，m＝n+1；
[0012]
步骤2
‑
3：基于计算的活动域范围s与层格数n，计算每层层高l，l＝2h/n；
[0013]
步骤2
‑
4：以层高l为步长确定从上至下各层高度；
[0014]
步骤3：将前m
‑
1层各层上的上肢最大可达域平面，以右肩肩峰点所在矢状面为边界分割为左侧区域和右侧区域，在所述左侧区域和所述右侧区域建立一层或多层圆弧，均分各层圆弧获得一个或多个区域单元；
[0015]
步骤4：将右肩肩峰点在各层上的投影点o作为坐标原点，计算获得的各区域单元的位置坐标。
[0016]
进一步，步骤3具体过程如下：
[0017]
步骤3
‑
1：将右肩肩峰点所在矢状面在第1至第m
‑
1层各层上的投影记为y轴，从右肩肩峰点在各层上的投影点o正前方点r
i
处为起点，沿y轴向内依次取k个点a1,a2,
…
,a
k
‑1,a
k
，其中，r
i
，i＝1,2,
…
,m
‑
1,为手臂功能长在第i高度层上的投影长度，r
i a1＝a
1 a2＝
…
＝a
k
‑1a
k
＝l，a
k
o＜l；
[0018]
步骤3
‑
2：划分左侧区域
[0019]
以or
i
为直径，过o和r
i
两点画圆，将y轴左侧的半圆圆弧记为arc
l
0，其为左侧区域最外层圆弧；以a
1 a
k
为直径，过a1和a
k
两点画圆，将y轴左侧的半圆圆弧记为arc
l
1；以a
2 a
k
‑1为直径，过a2和a
k
‑1两点画圆，将y轴左侧的半圆圆弧记为arc
l
2，依次类推，形成圆弧arc
l
j，j＝1,2,
…
,t，t＝k/2，k为偶数；t＝(k
‑
1)/2，k为奇数；相邻圆弧之间以及与y轴组成了t+1个封闭图形，即左侧区域被划分为t+1部分；
[0020]
步骤3
‑
3：划分右侧区域
[0021]
以右肩肩峰点在各层上的投影点o点为圆心，以投影点o点正前方r
i
为半径画圆，将y轴右侧的四分之一圆圆弧记为arc
r
0，其为右侧区域最外层圆弧；以o点为圆心，以oa
k
为半径画圆，将y轴右侧的四分之一圆圆弧记为arc
r
j’，j’＝1,2,
…
,k；相邻圆弧之间以及与y轴组成了k+1个封闭图形，即右侧区域被划分为k+1部分；
[0022]
步骤3
‑
4：均分最外层圆弧获得多个区域单元；具体过程如下：
[0023]
左侧区域中的圆弧arc
l
0和右侧区域中的圆弧arc
r
0，组成一条连续曲线cur0，对曲线cur0的弧长与层高l的比值取整，得到分段数n
cur0
，以分段数n
cur0
均分曲线cur0，在曲线cur0上得到n
cur0
‑
1个分段点；将位于左侧区域中的圆弧arc
l
0上的分段点分别与左侧区域的圆心连线，这些连线与圆弧arc
l
0、arc
l
1共同形成区域单元；将位于右侧区域中的圆弧arc
r
0上的分段点分别与右侧区域的圆心连线，这些连线与圆弧arc
r
0、arc
r
1共同形成多个区域单元；
[0024]
步骤3
‑
5：均分左侧区域中的圆弧arc
l
j，获得一个或多个区域单元；具体过程如下：
[0025]
对圆弧arc
l
j的弧长与层高l的比值取整，得到圆弧arc
l
j的分段数n
arclj
，以分段数n
arclj
均分圆弧arc
l
j，在圆弧arc
l
j上得到n
arclj
‑
1个分段点并将这些分段点与左侧区域的圆
心连线，这些连线与相邻两个圆弧共同形成区域单元；
[0026]
当分段数n
arclj
等于1，表示圆弧arc
l
j无需分段，将圆弧arc
l
j与y轴组成的区域并入与其相邻的右侧区域中的区域单元中；
[0027]
步骤3
‑
6：均分右侧区域中的圆弧arc
r
j’，获得多个区域单元；具体过程如下：
[0028]
对圆弧arc
r
j’的弧长与层高l的比值取整，得到圆弧arc
r
j’的分段数n
arcrj’，以分段数n
arcrj’均分圆弧arc
r
j’，在圆弧arc
r
j’上得到n
arcrj’‑
1个分段点并将这些分段点与右侧区域的圆心连线，这些连线与相邻两个圆弧以及x轴、y轴共同形成多个区域单元；
[0029]
当分段数n
arcrj’等于1，表示圆弧arc
r
j’无需分段，将圆弧arc
r
j’与x轴和y轴组成的区域并入与其相邻的左侧区域中的区域单元中。
[0030]
本发明的有益效果：本发明对上肢活动域的细分，保证了操作工效测量的严谨性和精确性，为后续的操作工效评价或人机界面设计提供精准的数据基础；本发明也可以用于手动操控装置空间位置的定位和优化布局，确保操控装置布局合理，处于上肢活动域内的适当位置。
附图说明
[0031]
图1为现有技术中基于操作台水平面对上肢活动范围进行划分的示意图；
[0032]
图2为现有技术中基于角度对上肢活动范围进行划分的示意图，其中图(a)为人体矢状面内，图(b)为水平面内；
[0033]
图3为本发明实施例的测量人体上肢操作工效的活动域细分方法流程图；
[0034]
图4为本发明实施例的p95男性上肢活动域在垂直轴上的划分示意图；
[0035]
图5为本发明实施例的第
②
层的区域单元划分示意图；
[0036]
图6为本发明实施例的第
①
至第
⑦
层的区域单元划分示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0038]
本实施例以人体冠状面前方的最大可达域细分为例，如图3所示，具体包括如下步骤：
[0039]
步骤1：获取人体尺寸数据；
[0040]
可以查阅适用的国家标准等文件，如《gb10000
‑
88成年人尺寸》等，或可以根据需要对被试者进行实际测量，获得人体尺寸数据，包括手臂功能长h、手长a等。本实施例的区域细分范围对人体周围区域360
°
全方位覆盖，在垂直轴上的范围是从手臂垂直上举至手臂自然下垂的功能高度。应该理解，此处所指的手臂功能长是指手握直径20mm圆柱棒，上肢自然下垂时从肩峰点到拳握轴中心线的垂直距离；手臂垂直上举和手臂自然下垂的功能高度是指手握直径20mm圆柱棒，从肩峰点到圆柱棒中心轴线的垂直距离。此外，本发明中的上肢和手臂是一个术语的两种表达方式。
[0041]
步骤2：基于获取的人体尺寸数据，对垂直轴上的上肢活动域进行划分；具体过程如下：
[0042]
步骤2
‑
1：手握直径20mm圆柱棒，手臂垂直上举，将此时拳握轴中心线的离地高度
记为h1；手握直径20mm圆柱棒，手臂自然下垂，将此时拳握轴中心线的离地高度记为h2；将h1至h2区间记为上肢在垂直轴上的活动域范围，特别地，h1
‑
h2为2倍手臂功能长h，即2h＝h1
‑
h2。
[0043]
步骤2
‑
2：以手长a为参考值，计算并取整得到上肢在垂直轴上的活动域范围所需划分的层格数n，即n n＝[2h/a+0.5]，本文中采用加上0.5是为了四舍五入。在实际中，若需要更细密的层格划分(相应层格增多)，则可根据需要，以手长a的一定比例(如手长a的1/2、1/3等)替代手长a，计算取整得到n。
[0044]
步骤2
‑
3：计算出层格数n之后，用2h除以n，得到每层层高l，即l＝2h/n。
[0045]
步骤2
‑
4：根据计算出的层高l确定各层高度：
[0046]
可以利用测量板来准确确定各层高度，首先放置最高层的测量板，使测量板水平放置，其高度为h1，进而以每层层高l为步长，得到每层测量板的高度值，进而获得各层高度。
[0047]
有利地，本发明在涉及到测量板层高放置的实验部分，均不限制被试者的身体尺寸，测量板放置高度根据每位被试者的身体尺寸进行独立计算，根据计算出来的层高数值放置测量板的高度。由于最高层测量板高度h1和层高l划分均根据每位被试者手臂功能长h和手长a计算而来，因此每层测量板高度属个性设置，随每位被试者人体尺寸而变。本发明这样做虽然增加了实验中的调节时间，但可以消除等间距测量带来的尺寸不公问题。
[0048]
本实施例以p95男性(尺寸来自gb10000
‑
88中的95百分位男性尺寸)为例，人体手臂功能长的二倍与手长的比值约为7，因此在垂直轴方向上层格数n为7，层数m为8层。如图4所示，图中左侧圆圈
①‑⑧
为层号，
①
表示坐姿手臂上举时的手功能高，
⑧
表示坐姿手臂自然下垂时的手功能高，即
①‑⑧
范围是手功能可达范围。此处的手功能是全手紧握姿势的手功能，即可达域范围最小的一种手功能姿势。层号
①‑⑧
旁边的数字为每层测量板离地高度，7个层格右侧数字为各项指标尺寸，包括坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿高、坐姿手腕高以及小腿加足高，图中数字单位均为mm。图中各项指标尺寸来自国家标准《gb 10000
‑
88中国成年人人体尺寸》，作为本发明的应用示例。实际应用中，研究人员可根据需要，自行测量被试者尺寸获得这些数据，当然也可以采用gb 10000
‑
88的数据。
[0049]
步骤3：对右肩关节矢状面左、右两侧区域进行划分计算
[0050]
基于步骤2在垂直轴上的上肢活动范围划分，本实施例对冠状面前方的区域进行细分。将第
①
层至第
⑦
层中任一高度层上的上肢最大可达域平面以右肩肩峰点所在的矢状面为边界，分割为左右两部分，左侧区域记为区域i，右侧区域记为区域ii。在各区域内建立多层圆弧，并通过均分每一圈圆弧的弧长来获得区域单元。本实施例以第
②
层的区域分块为例，如图5所示，以右肩肩峰点在该层高上的投影点o正前方r2点为起点，向内(朝向投影点o)以该层高为单位分段，其中，r2为手臂功能长在该高度层上的投影长度，其与该层高的比值即为该线段所能分的总段数m，即m＝[r2/l+0.5]。根据这样的分段方式，可以在图5中线段or2上形成2个分段点和2个端点，如图5中的分段点为a1和a2，端点分别为：右肩肩峰点o和右肩肩峰点在该层高上的投影点o正前方r2点。
[0051]
下面对图5中区域i和区域ii两个区域的分块作进一步说明。
[0052]
对于区域i的分块，是从右肩肩峰点在该层高上的投影点o正前方r2处为起点，先沿y轴向内(即朝向右肩尖峰点)取一个层高l的距离，记为a1点，然后在点a1处继续沿y轴向
内取一个层高l的距离，记为a2点。以r＝or2为直径，以y轴为中心线，过右肩肩峰点画圆，将y轴左侧的半圆圆弧记为arc
l
0；以层高l为直径，过a1和a2两点画圆，将y轴左侧的半圆圆弧记为arc
l
1。圆弧arc
l
0、arc
l
1和y轴组成了两个封闭图形，即区域i被划分为两部分，如图5所示。
[0053]
对于区域ii的分块，以o点为圆心，以r2为半径画圆，将y轴右侧的四分之一圆圆弧记为arc
r
0；以o点为圆心，以oa1为半径画圆，将y轴右侧的四分之一圆圆弧记为arc
r
1；以o点为圆心，以oa2为半径画圆，将y轴右侧的四分之一圆圆弧记为arc
r
2。圆弧arc
r
0、arc
r
1、arc
r
2和x轴、y轴组成了三个封闭图形，即区域ii被划分为三部分。
[0054]
区域i和区域ii中最外层的圆弧，即区域i中的圆弧arc
l
0和区域ii中的圆弧arc
r
0，组成了一条连续曲线cur0。对曲线cur0的弧长与层高l的比值取整，得到分段数n
cur0
，以该分段数均分这段曲线cur0，在这段曲线上得到n
cur0
‑
1个分段点。位于区域i中的分段点分别与区域i的圆心连线，位于区域ii中的分段点分别与区域ii的圆心连线，这些连线与在区域i中与圆弧arc
l
0、arc
l
1一起，在区域ii中与圆弧arc
r
0、arc
r
1一起，共同形成了图5中的区域单元2、3、4、5、6。
[0055]
接着以区域ii中，对圆弧arc
r
1的弧长与层高l的比值取整，得到圆弧arc
r
1的分段数，以该分段数均分圆弧arc
r
1，得到若干分块点，这些分块点与区域ii圆心的连线以及圆弧arc
r
1、arc
r
2共同形成了图5中区域单元7、8。
[0056]
然后以区域i中，对圆弧arc
l
1的弧长与层高l的比值取整，得到圆弧arc
l
1的分段数等于1，表示该圆弧无需分段，圆弧arc
l
1与y轴组成的区域并入区域ii中的相邻区域单元7中。
[0057]
接着以同样方法对圆弧arc
r
2分段，对圆弧arc
r
2的弧长与层高l的比值取整等于1，表示该圆弧无需分段，圆弧arc
r
2与x轴、y轴组成的区域并入区域i中的相邻区域单元2中。
[0058]
对于其它高度的分层，最外层圆弧的分块方法与上述曲线cur0的分块方法相同，由外往里的各层圆弧的分块均与上述圆弧arc
l
1、arc
r
1、arc
r
2的分块方法相同。依据上述分块方法，本实施例可将上肢活动域细分为59个体积大致均等的区域单元，如图6所示，图(a)
‑
(g)分别是本实施例由上至下第
①
至第
⑦
层的区域单元示意图，空间区域单元是从每层向下拉伸，即空间区域单元位于层高之下，例如第
①
层的空间区域单元位于第
①
层和第
②
层之间，因此第
⑧
层没有空间区域单元。此外，在第
①
层上，or1的长度为0。之所以设置此层，是因为当人手掌张开进行操作时(如用食指按下按钮)，此时有一个操作范围，所以在第
①
层上所画出的1号范围(图(a)所示)，示意的是手掌张开时的范围，图中画出的半圆直径等于手掌心到中指尖的长度。
[0059]
步骤4：获得活动域细分结果
[0060]
基于以上区域单元划分方法，将右肩肩峰点在该层高上的投影点o作为坐标原点，计算各个区域单元的位置坐标。位置坐标主要有三类：穿过右肩肩峰点所在矢状面的区域单元坐标(即图5中点r2、a1、a2的坐标)、右肩肩峰点所在矢状面左侧区域单元的坐标(区域i中分块点的坐标)、右肩肩峰点所在矢状面右侧区域单元的坐标(区域ii中分块点的坐标)。得到所有区域单元坐标后，即可用于实验现场，根据被试者的人体尺寸自动生成59个区域单元的位置坐标。
[0061]
本实施例对人体冠状面前方细分区域进行了说明，对于人体冠状面后方区域的细
分，可以以冠状面为中心，对冠状面前方细分区域做镜像对称映射，即可获得冠状面后方区域细分。实际操作中，对于位于冠状面后方区域的控制器操作，可能需要人体转动躯体方可触及。
[0062]
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例作出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。